近日，北斗三號全球衛星導航系統建成并開(kāi)通，中國成為世界第三個(gè)獨立擁有全球衛星導航系統的國家。提起衛星導航系統，不得不提我國最早的導航工具——指南針。

圖為縷懸法指南針模型。 

我國先民認識和掌握物質(zhì)的磁性經(jīng)過(guò)了漫長(cháng)的道路。在生產(chǎn)勞動(dòng)中，人們接觸了磁鐵礦，并發(fā)現了磁石引鐵的性質(zhì)和磁石的指向性，最終發(fā)明了指南針。宋代時(shí)期，先民已經(jīng)掌握了很多有關(guān)磁學(xué)方面的知識。南宋愛(ài)國詩(shī)人文天祥出使北營(yíng)到南返福州期間被元兵扣留數日，寫(xiě)下了《揚子江》：“幾日隨風(fēng)北海游，回從揚子大江頭。臣心一片磁針石，不指南方不肯休。”該詩(shī)收在《指南錄》中，以表達作者心向南宋，冒死南歸的一片丹心。

司南因自身缺陷未能得到廣泛使用

指南針的始祖大約出現在戰國時(shí)期。它是用天然磁石制成的，樣子像一把湯勺，可以放在平滑的“地盤(pán)”上保持平衡，且可以自由旋轉。當它靜止的時(shí)候，勺柄就會(huì )指向南方，古人稱(chēng)它為“司南”。戰國時(shí)期的著(zhù)作《鬼谷子》中記載了司南的應用，鄭國人采玉時(shí)就帶了司南以確保不迷失方向。

春秋時(shí)代，人們已經(jīng)能夠將硬度5度至7度的軟玉和硬玉琢磨成各種形狀的器具，因此也能將硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制成司南。東漢時(shí)期思想家王充在《論衡》中對司南的形狀和用法作了明確的記錄。司南是用整塊天然磁石經(jīng)過(guò)琢磨制成勺型，勺柄作為指南極，并使整個(gè)勺的重心恰好落到勺底的正中，勺置于光滑的地盤(pán)之中，地盤(pán)外方內圓，四周刻有干支四維，合成二十四向。這樣的設計是古人認真觀(guān)察了許多自然界有關(guān)磁的現象，積累了大量的知識和經(jīng)驗，經(jīng)過(guò)長(cháng)期的研究才完成的。司南的出現是人們對磁體指極性認識的實(shí)際應用。

但司南有許多缺陷，如天然磁體不易找到、加工困難、測量精度差、體積大攜帶不方便等，這是司南在相當長(cháng)時(shí)間內未能得到廣泛使用的主要原因。

人工磁化法使鐵片變成指南針

古代民間常將薄鐵葉剪裁成魚(yú)形，“魚(yú)”的腹部略下凹，像一只小船，磁化后浮在水面，就能指示南北。當時(shí)以此作為一種游戲，稱(chēng)為 “指南魚(yú)”，這就是指南針的雛形。北宋時(shí)，曾公亮在《武經(jīng)總要》載有制作和使用指南魚(yú)的方法：“用薄鐵葉剪裁，長(cháng)二寸，闊五分，首尾銳如魚(yú)型，置炭火中燒之，侯通赤，以鐵鈐鈐魚(yú)首出火，以尾正對子位，蘸水盆中，沒(méi)尾數分則止，以密器收之。用時(shí)，置水碗于無(wú)風(fēng)處平放，魚(yú)在水面，令浮，其首常向午也。”

這是一種人工磁化的方法，它利用地球磁場(chǎng)使鐵片磁化。即把燒紅的鐵片放置在子午線(xiàn)的方向上，燒紅的鐵片內部分子處于比較活動(dòng)的狀態(tài)，使鐵分子順著(zhù)地球磁場(chǎng)方向排列，達到磁化的目的。鐵片蘸入水中，可把這種排列較快地固定下來(lái)，而魚(yú)尾略向下傾斜可增大磁化程度。人工磁化方法的發(fā)明，對指南針的應用和發(fā)展起了巨大的作用，在磁學(xué)和地磁學(xué)的發(fā)展史上也是一件大事。

指南針的發(fā)明是我國勞動(dòng)人民在長(cháng)期的實(shí)踐中對物體磁性認識的結果。到了宋代，這方面的知識已經(jīng)相當豐富了。北宋科學(xué)家沈括在《夢(mèng)溪筆談》中就介紹了磁針裝置的4種方法。

水浮法，即在磁針上穿幾根燈心草，讓其浮在水面。碗唇旋定法是將磁針擱在碗口邊緣，磁針可以旋轉。指甲旋定法是把磁針擱在手指甲上面，由于指甲面光滑，磁針可以旋轉自如?？|懸法是在磁針中部涂一些蠟，粘一根蠶絲，掛在沒(méi)有風(fēng)的地方，用以指示方向。

衍生水針和旱針兩大體系

沈括曾對上述4種方法作了比較。他指出，水浮法的最大缺點(diǎn)是，水面容易晃動(dòng)從而影響測量結果。碗唇旋定法和指甲旋定法由于摩擦力小，轉動(dòng)很靈活，但容易掉落。沈括比較推崇的是縷懸法，他認為這是比較理想而又切實(shí)可行的方法。事實(shí)上，沈括指出的4種方法已經(jīng)歸納了迄今為止指南針裝置的兩大體系——水針和旱針。

沈括在《夢(mèng)溪筆談》中提到另一種人工磁化的方法：“方家以磁石磨針?shù)h，則能指南。”按沈括的說(shuō)法，當時(shí)的人們用磁石去摩擦縫衣針，就能使針帶上磁性。從現在的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，這是一種利用天然磁石的磁場(chǎng)作用，使鋼針內部磁疇的排列趨于某一方向，從而使鋼針顯示出磁性的方法。這種方法比地磁法簡(jiǎn)單，而且磁化效果比地磁法好，摩擦法的發(fā)明不但為世界最早，而且為有實(shí)用價(jià)值的磁指向器的出現創(chuàng )造了重要的技術(shù)條件。

南宋陳元靚在《事林廣記》中介紹了另一類(lèi)指南魚(yú)和指南龜的制作方法。這種指南魚(yú)與《武經(jīng)總要》一書(shū)記載的不同，是用木頭刻成手指一般大的魚(yú)形木魚(yú)，并在其腹中置入一塊天然磁鐵，磁鐵的南極指向魚(yú)頭，用蠟封好后，從魚(yú)口插入一根針，就成為指南魚(yú)。將其浮于水面，魚(yú)頭便會(huì )指南，這也是水針的一類(lèi)。

指南龜是當時(shí)流行的一種新裝置，將一塊天然磁石放置在木刻龜的腹內，在木龜腹下方挖一光滑的小孔，對準并放置在直立于木板上的頂端尖滑的竹釘上，這樣木龜就被放置在一個(gè)固定的、可以自由旋轉的支點(diǎn)上了。由于支點(diǎn)處摩擦力很小，木龜可以自由轉動(dòng)。但是，它并沒(méi)有用于航海指向，而用于幻術(shù)，這就是后來(lái)出現的旱羅盤(pán)的先聲。